3.2.Характеристика первичного преобразователя.

Датчики давления бывают трех типов, позволяющих измерять абсолютное, дифференциальное и манометрическое давление. Абсолютное давление, например, барометрическое, измеряется относительно давления в эталонной вакуумной ка­мере, которая может быть как встроенной (рис. 1А), так и внешней. Диффе­ренциальное давление, например, перепад давления в дифференциальных расхо­домерах, измеряется при одновременной подаче давления с двух сторон диафраг­мы. Манометрическое давление измеряется относительно некоторого эталонно­го значения. Примером может служить, измерение кровяного давления, которое проводится относительно атмосферного давления. Манометрическое давление по своей сути является разновидностью дифференциального давления.

Емкостные датчики давления также реализуются на основе кремниевых диафрагм. В таких датчиках перемещение диафрагмы относительно опорной пластины меня­ет емкость между ними. Емкостные датчики работают наиболее эффективно при невысоких давлениях. Монолитные емкостные датчики давления, изготовленные из кремниевых кристаллов, обладают максимальной стабильностью рабочих харак­теристик. Перемещение диафрагмы может обеспечить 25% изменение емкости в широком диапазоне значений, что делает возможным проведение прямой оциф­ровки результатов измерений. В то время как для диафрагм, используемых в пьезорезитивных датчи­ках, необходимо обеспечивать макси­мальное механическое напряжение на краях, для диафрагм в емкостных дат­чиках существенным является переме­щение их центральной части. Диафраг­мы в емкостных датчиках могут быть за­щищены от избыточного давления при помощи механических ограничителей с каждой стороны диафрагмы (для диф­ференциальных датчиков давления). В пьзорезистивных датчиках из-за не­больших перемещений такой способ за­щиты, к сожалению, работает недоста­точно эффективно, поэтому для них оп­ределяется давление разрыва, которое, как правило, в 10 раз превышает мак­симальное измеряемое давление, в то время как для емкостных преобразова­телей с механическими ограничителями эта величина в 100 раз больше. Это осо­бенно важно при работе в области низких давлений, где возможны всплески вы­сокого давления.

Для обеспечения хорошей линейности емкостных датчиков необходимо, что­бы диафрагмы обладали ровной поверхностью центральной части. Традиционно считается, что емкостные датчики обладают линейностью только тогда, когда пе­ремещения диафрагм значительно меньше их толщины. Одним из способов улуч­шения линейности является использование гофрированных диафрагм, изготовлен­ных методами микротехнологий. Планарные диафрагмы обычно обладают лучшей тензочувствительностью по сравнению с гофрированными тех же размеров и тол­щины. Однако при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений изгибы гофрированной мембран их значительно ослабляют, что приводит к суще­ственному улучшению линейности и чувствительности таких датчиков (рис. 4).

давление(дюйм Н20)

Рис. 4. Отклонение центральной ча­сти планарной и гофрированной диаф­рагм одинаковых размеров при наличии в системе плоскостных растягивающих напряжений.

При измерении низких давлений перемещение тонкой пластины или диафрагмы может быть небольшим. Фактически, оно может быть таким маленьким, что тензодатчик, прикрепленный к диафрагме или встроенный в нее, будет выдавать очень низкий выходной сигнал, недостаточный для последующей его обработки. Один из возможных способов решения этой проблемы — использование емкостного датчика, в котором отклонение диафрагмы измеряется по ее положению относи­тельно опорной пластины, а не по напряжению внутри материала. Другим спосо­бом решения проблемы измерения очень низких давлений является применение магнитных датчиков. Датчики переменного магнитного сопротивления (ПМС) из­меряют изменение магнитного сопротивления дифференциального трансформа­тора, вызванного перемещением магнитной диафрагмы, возникающего вследствие воздействия на нее внешнего давле­ния. Принцип действия таких датчи­ков очень напоминает принцип дей­ствия магнитных детекторов. На рис. 5А проиллюстрирована основная идея модуляции магнитного потока. Конструкция, состоящая из Е-образного сердечника и катушки формиру­ет магнитный поток, силовые линии которого проходят через сердечник, воздушный зазор и диафрагму. Маг­нитная проницаемость материала сер­дечника по крайней мере в 1000 раз выше проницаемости воздушного за­зора, поэтому его магнитное со­противление всегда ниже сопротивле­ния воздуха. В связи с этим величина индуктивности всей этой конструкции определяется шириной зазора. При от­клонении диафрагмы величина воз­душного зазора либо увеличивается, либо уменьшается в зависимости от направления перемещения, что вызы­вает модуляцию индуктивности.

На рис. 5 показана конструк­ция ПМС датчика давления, в котором между двумя половинами корпуса, состоящих из катушки и Е-образного сердеч­ника, размещается магнитно проницаемая диафрагма. Катушки покрыты специ­альным составом, обеспечивающим прочность системы даже при воздействии очень высоких давлений. С двух сторон диафрагмы сформированы узкие рабочие камеры, соединенные с входными портами подачи давления. Рабочий диапазон датчика определяется толщиной диафрагмы, однако полное отклонение диаф­рагмы редко превышает 25...30 мкм, потому такие преобразователи, в основном, применяются для измерения низких давлений. Небольшие поперечные размеры рабочих камер физически защищают мембрану от чрезмерного отклонения в ус­ловиях избыточного давления, поэтому ПМС датчики являются достаточно на­дежными устройствами. При подаче переменного тока возбуждения возникает магнитный поток, захватывающий оба сердечника, воздушные зазоры и диаф­рагму. Таким образом, в состав датчика входят два индуктивных элемента, являю­щихся плечами мостовой схемы (рис. 5Б). Когда на диафрагму действует диф­ференциальное давление, она отклоняется в ту или другую сторону, что приводит к пропорциональному изменению магнитного сопротивления двух воздушных за­зоров. Даже небольшое давление на диафрагму приводит к значительному изме­нению выходного сигнала, намного превышающему уровень шума.

(Б)

Рис. 5. Датчик измерения давления по переменному магнитному сопротивлению: А — основной принцип действия, Б — экви­валентная схема.

Рис. 6. Конструк­ция ПМС датчика для измерения низкого дав­ления: А — схема сбор­ки датчика. Б — устрой­ство датчика

При измерении низких давлений или когда для повышения динамического диапазо­на применяются толстые мембраны, для получения заданных значений разрешения и точности величина перемещения диафрагмы может оказаться недостаточной. В до­полнение к этому рабочие характеристики большинства пьезорезистивных и неко­торых емкостных датчиков довольно сильно зависят от температуры, что требует ис­пользования дополнительных цепей температурной компенсации. Оптические ме­тоды измерений обладают рядом преимуществ над остальными способами детекти­рования давления: простотой, низкой температурной чувствительностью, высокой разрешающей способностью и высокой точностью. Особенно перспективными яв­ляются оптоэлектронные датчики, реализованные на основе явления интерферен­ции света. Такие преобразователи используют принцип измерения малых пере­мещений Фабри-Перо. На рис. 6 показана упрощенная схема одного из таких датчиков.

Рис. 7. Схема оптоэлектронного датчика давления, использующего принцип интерфе­ренции света.

В состав датчика входят следую­щие компоненты: пассивный кристалл оптического преобразователя давления с диафрагмой, вытравленной в кремни­евой подложке; светоизлучающий диод (СИД) и кристалл детектора. Де­тектор состоит из трех р-n фотодиодов, к двум из которых пристроены опти­ческие фильтры Фабри-Перо, имею­щие небольшую разницу по толщине. Эти фильтры представляют собой кремниевые зеркала с отражением от передней поверхности, покрытые сло­ем из SiO2 на поверхность которых нанесен тонкий слой А1. Оптический пре­образователь похож на емкостной дат­чик давления, за исключением того, что в нем конденсатор заменен на интерферометр Фабри-Перо, используемый для измерения отклонения диафрагмы. Диафрагма, сфор­мированная методом травления в подложке из монокристаллического кремния, по­крыта тонким слоем металла. На нижнюю сторону стеклянной пластины также на­несено металлическое покрытие. Между стеклянной пластиной и кремниевой под­ложкой существует зазор шириной w, получаемый при помощи двух прокладок. Два слоя металла формируют интерферометр Фабри-Перо с переменным воздушным за­зором w, в состав которого входят: подвижное зеркало, расположенное на мембране, меняющее свое положение при изменении давления, и параллельное ему стационар­ное полупрозрачное зеркало на стеклянной пластине. Поскольку величина w связа­на с внешним давлением линейной зависимостью, длина волны отраженного излу­чения меняется при изменении давления. Принцип действия датчика основан на из­мерении модуляции длины волны, получаемой от сложения падающих и отражен­ных излучений. Частота периодического интерференционного сигнала определяет­ся шириной рабочей полости интерферометра w, а его период равен 1/2 w.

Детектор работает как демодулятор, электрический выходной сигнал которого пропорционален приложенному давлению. Он является оптическим компарато­ром, сравнивающим высоту рабочей камеры датчика давления и толщину вирту­альной камеры, сформированной за счет разности высот двух фильтров Фабри-Перо. Когда размеры этих камер равны, ток фотодетектора будет максимальным. При изменении давления происходит косинусная модуляция фототока с периодом, со­ответствующим половине средней длины волны источника излучения. Фотодиод без фильтра используется в качестве эталонного диода, отслеживающего полную интенсивность света, поступающего на детектор. Его выходное напряжение при­меняется при последующей обработке сигналов для получения нормированных ре­зультатов измерений. Поскольку рассматриваемый датчик давления является не­линейным, он обычно встраивается в микропроцессорную систему, на которую, в частности, возложены функции его линеаризации. Аналогичные оптические датчики давления реализуются на основе оптоволоконных световодов. Такие дат­чики незаменимы при проведении измерений в труднодоступных зонах, где исполь­зование ВЧ интерферометров невозможно. При производстве подложек для микроэлектронных устройств, оптических компо­нентов, а также в ходе проведения химических и других технологических процес­сов бывает необходимо измерять очень низкие давления. Без таких измерений не обходятся и при проведении некоторых научных экспериментов, например, в кос­мических исследованиях. Термин вакуум означает давление ниже атмосферного, но, как правило, он употребляется в случаях практического полного отсутствия дав­ления газов. Абсолютный вакуум получить невозможно, даже в космическом про­странстве нет ни одной зоны, где бы полностью отсутствовала материя.

Вакуум можно измерять и традиционными датчиками, при этом будут регис­трироваться отрицательные значения давления по отношению к атмосферному, но это очень неэффективный подход. Обычные датчики давления не могут опре­делять очень низкие концентрации газов из-за низкого отношения сигнал/шум. В отличие от традиционных датчиков давления измерители вакуума работают на совершенно других принципах, которые основываются на некоторых физичес­ких свойствах молекул газов и заключаются в определении числа молекул в за­данном объеме. К таким физическим свойствам относится теплопроводность, вязкость, ионизация и другие.

В данном случае будет рассматриваться преобразователь абсолютных давлений, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей абсолютного давления.Емкостной преобразователь давления содержит подложку с размещенными на ней контактной площадкой и обкладками конденсатора, состоящими из электрода и изолирующего слоя, а также мембранную сборку и вакуумную камеру; изолирующий слой расположен под электродом, а мембранная сборка состоит из двух соединенных кремниевых мембран, с нанесенными на них обкладками конденсатора и стеклянными шайбами; мембраны соединены друг с другу и выровнены, а стеклянные шайбы выполнены с отверстиями и соединены с мембранами со стороны, противоположной обкладкам конденсатора; вакуумная камера образована герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом; электроды выведены наружу металлического корпуса с помощью контактных площадок, микропроводов и гермопереходников; микропровода с одной стороны приварены к контактным площадкам, а с другой стороны приварены к гермопереходникам, герметично соединенным с металлической шайбой; металлическая шайба приварена к металлическому корпусу, а объем вакуумной камеры в несколько раз превышает объем мембранной

сборки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

На чертеже(приложение В) изображен преобразователь, содержащий подложку (1) с размещенными на ней контактной площадкой (4) и обкладками конденсатора, состоящими из электрода (2) и изолирующего слоя (3), а также мембранную сборку (5) и вакуумную камеру (6). Изолирующий слой расположен под электродом, а мембранная сборка состоит из двух соединенных кремниевых мембран (7) с нанесенными на них обкладками конденсатора и стеклянными шайбами (8). Мембраны соединены друг с другом и выровнены, чтобы облегчить доступ к контактным площадкам, а стеклянные шайбы соединены с мембранами со стороны, противоположной обкладкам конденсатора, и имеют отверстия (9) для обеспечения воздействия давления на мембраны. Вакуумная камера образована герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом (10) на границе соединения (15). Электроды выведены наружу металлического корпуса с помощью контактных площадок, микропроводов (11) и гермопереходников (12), когда микропровода с одной стороны приварены к контактным площадкам, а с другой стороны приварены к гермопереходникам, герметично соединенным с металлической шайбой (13) на границе соединения (17). Металлическая шайба приварена к металлическому корпусу по границе соединения (16), а объем вакуумной камеры в несколько раз превышает объем мембранной сборки (14). Принцип работы преобразователя заключается в следующем. Измеряемое давление, воздействуя на мембраны через отверстия в стеклянных шайбах, изменяет значении емкости, образованной мембранами. Наличие конструкции, при которой герметизация и вакуумное состояние обеспечены герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом и гермопереходниками, соединенными с металлической шайбой, которая приварена к металлическому корпусу, позволяет повысить надежность преобразователя, стабильность параметров и чувствительность за счет долговременного поддержания высокой степени вакуума в вакуумной камере. А объем вакуумной камеры, образованной герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом, в несколько раз превышает объем мембранной сборки, что также положительно отражается на временной стабильности герметичного соединения.

Изменение температуры в цикле нагрева при измерениях концентрации СО представлено на рис.8а сплошной линией. Пунктирной линией показан температурный цикл для режима, используемого при одновременном измерении метана и угарного газа. Длительность импульса нагрева при этом увеличена, так как измерения концентрации метана необходимо проводить именно при температуре 450°С. На рис.4б представлено семейство кривых проводимости чувствительного элемента в цикле нагрева для разных концентраций угарного газа.

Рис.8. Изменение температуры (а) и проводимости (б) чувствительного элемента сенсора в цикле нагре-ва: 1 — фон, 2 — 5 ppm CO, 3 — 10 ppm CO,4 — 20 ppm CO, 5 — 40 ppm CO, 6 — 80 ppm CO

Исходя из приведенных выше соображений, измерение концентрации CO следует проводить спустя определенное время после импульса нагрева. Лучше всего выбрать точку в конце цикла нагрева. Поэтому, для дальнейшей обработки использовались дан ные для t = 9,5 с.

Отклик сен-сора на момент измерения

представлен на рис.5. Из представленной характеристики видно, что в данном режиме работы чувствительность прибора очень высока. При изменении конценрации угарного газа от 10 до 20 ppm (ПДК для жилых

зон — 16 ppm) проводимость сенсора в точке измерения изменяется более чем на 100%, а по отношению к чистому воздуху — более чем в 40 раз.

Cвязь концентрации детектируемого газа с проводимостью сенсора на момент измерения (см. рис.6) аппроксимируется полиномом второй степени: С = 0,49 + 9,74⋅σ + 1,7⋅σ2 (C [ppm], σ[мкСм]).

Эксперимент показал, что в реальных условиях окружающей среды фоновый отклик очень нестабилен, в то же время при воздействии заданной концентрации СО значение проводимости в момент проведения замера остается достаточно стабильной величиной. Таким образом, при пересчете значения проводимости в точке измерения в концентрацию целесообразно исключить значение фоновой концентрации, измеряемой в ходе калибровки, а использовать при таком преобразовании полином

второй степени. Коэффициенты этого полинома должны определяться по точкам с заведомо известными концентрациями детек-тируемого газа, превышающими фоновую. Эти коэффициенты будут существенно меняться для различных режимов работы и разных образцов сенсоров, поэтому они должны определяться при калибровке каждого устройства и записываться в энергонезависимую память контроллера. Так как процесс калибровки разработанного газоаналитический модуля (вместе с сенсором) целиком программный, то его можно легко автоматизировать. [6]